本帖最后由 克虏伯火炮 于 2014-8-14 05:54 编辑
透平结构 蒸汽轮机的主要功能部件是蒸汽透平。 与往复式蒸汽机的汽缸-活塞结构不同，透平是旋转式的叶轮机械，它的主要结构是转子和汽缸体。转子外环和汽缸体内环分别有一圈一圈的叶片，其中汽缸体上的叶片环称作静叶栅，或者叫喷嘴环，转子上的叶片环称作动叶栅。喷嘴环和动叶栅交替排列，通常一圈喷嘴环和一圈动叶栅构成一“级”，透平就是由许多“级”串列组成的，如图1： 图1蒸汽轮机结构图 从锅炉引来的高压蒸汽进入透平后，以接近绝热膨胀的状态依次从各级叶栅中高速流过。 绝热膨胀的过程中，蒸汽的压力和温度降低，同时速度增大，此时蒸汽的一部分热能转换成动能。高速气流在随后的动叶栅中大角度转向，这就施加给动叶一个圆周向的力，推动转子高速旋转，从而将气流动能转化成轴功率输出。 经过多级叶栅的膨胀做功之后，温度压强都大幅降低、不再有做功能力的“乏蒸汽”进入冷凝器重新凝结成水，返回锅炉。 轴系结构 当汽轮机功率大、级数多时，需要分轴以免轴系长度太大。一般而言功率大于1万马力的舰船汽轮机都使用分轴结构，即转子分成高、低压透平两轴或者高、中、低压透平三轴。 舰船经常需要快速减速或者倒航，但螺旋桨叶片扭转方向是不能改变的（当时没有变距桨技术），这就要求主轴必须能够反向旋转。不过，透平叶片扭转方向同样也决定了透平轴的旋转方向，因此透平也不能直接反转，解决办法是设置倒航透平，也就是在主轴上增加一组叶片扭转方向与正车透平相反的涡轮。当主轴需要反转时，蒸汽不从正车透平流过，而是从倒车透平流过，此时主轴就反转了。 在20世纪初期，大部分大型战舰的主机都采用一台轮机分成二轴，由高低压透平各驱动一根主轴的结构形式，每一根主轴上同时包含一个倒车透平组，如图2所示为英国无畏号战列舰所装备的帕森斯式蒸汽轮机： 
图2一战时典型的分轴驱动蒸汽轮机系统 由图可见，这台（更严谨一点，应该用“套”这个单位）蒸汽轮机包含多个透平，其中高压正车透平和高压倒车透平共轴，驱动外侧轴；一体化汽缸结构的低压正车/倒车透平和巡航透平共轴，驱动内侧轴。 蒸汽的流向和工作流程是复杂且多变的，通过蒸汽管路上的多个阀门控制：大功率正车时，蒸汽通过高压正车透平——低压正车透平之后进入冷凝器；小功率巡航航行时，蒸汽通过巡航透平——高压正车透平——低压正车透平，再进入冷凝器；倒车时，蒸汽则通过高压倒车透平——低压倒车透平进入冷凝器。 倒车透平和正车透平在蒸汽流路上是隔开的，即使是一体化汽缸结构的低压正车/倒车透平，蒸汽流路也是分开的，如图3所示： 
图3无畏号的低压正车/倒车透平 左侧叶片高度小、级数少的是倒车透平，右侧叶片高度大、级数多的是正车透平。“17”为蒸汽入口，它在汽缸左右两侧的空腔不能同时与蒸汽管道接通，由阀门控制只接通一个。正车时蒸汽从右侧进入汽缸，通过正车透平驱动主轴正向旋转；倒车时蒸汽从左侧进入汽缸，通过倒车透平驱动主轴反向旋转。 倒车透平之所以叶片高度小、级数少，是为了降低重量。毕竟倒航只占全部航行时间的极少部分，不值得为了保证效率而浪费重量。
在蒸汽机时代，蒸汽机通过曲轴直接驱动主轴和螺旋桨。但到了蒸汽轮机时代，直接传动就有很大的缺点，即主机的转速不能与螺旋桨良好匹配。这是因为要想让蒸汽轮机有高的内效率，就必须使用较高的转速，但主轴也就是螺旋桨转速过高，则会产生空泡而严重降低推进效率。直到1909年英国帕森斯公司研制出减速齿轮装置，才解决了这个矛盾。通过减速齿轮箱驱动主轴的蒸汽轮机称为齿轮减速蒸汽轮机。 齿轮减速蒸汽轮机不仅解决了主机转速和螺旋桨转速的匹配问题，同时也大幅度降低了蒸汽轮机的体积和重量。因为输出功率等于扭矩乘以转速，所以涡轮转速增高，发出相同的轴功率时需要的扭矩就小，这可以减小其主轴直径以及相关结构的尺寸。而结构重量是与直径尺寸呈平方甚至立方关系的，显然减小主轴直径以及相关结构的尺寸可以显著降低机组重量。 齿轮减速也给高低压透平轴各自使用不同的转速、然后经过齿轮箱并车提供了可能，因此从20世纪10年代开始，为了提高战舰动力装置的生存能力，战舰基本上都遵从了“一机一桨制”，即一台（套）蒸汽轮机的不同透平轴通过齿轮箱联动，只驱动特定的一根主轴，如图4所示： 
图4齿轮传动单桨蒸汽轮机结构 就连进行现代化改造的旧式战舰，只要更换新的轮机，一般也都实现了一机一桨的配置，比如意大利的加富尔级、日本的金刚级、扶桑级、英国的伊丽莎白女王级等。
冲动式和反动式 如前所述，蒸汽在定叶栅中要绝热膨胀，速度增加后进入动叶栅。但在动叶栅中，蒸汽可能仅仅是流动方向发生变化，也可能继续进行绝热膨胀过程；前者称为“冲动式”涡轮级，后者称为“反动式”涡轮级。 两者相比较，反动式涡轮级的优点是效率较高，而缺点则是单级焓降较低，也就是蒸汽通过单级涡轮级时所能降低压力的幅度较小。显然，单级焓降小，那么对于同样初始压力的蒸汽来说，降低到冷凝器压力就需要更多的“级”数，总级数多就导致整个蒸汽轮机长度大、重量大。而同样参数下的冲动式汽轮机只需要反动式汽轮机级数的一半。 在20世纪初，适于当时舰船用的反动式蒸汽轮机以英国帕森斯公司的产品为代表，冲动式蒸汽轮机则有瑞典的德拉伐尔公司和柯蒂斯公司的产品。但是冲动式汽轮机因为单级焓降大、涡轮叶片前后压差大，因此叶片受力大，尤其是在大功率装置中容易出现振动问题，并且在很长的一段时间内都没有得到解决。这使得早期的冲动式舰船汽轮机故障频发，最终导致了布朗-柯蒂斯公司的消亡。在此期间内帕森斯式汽轮机几乎包揽了世界各国舰船的轮机订单。 但是冲动式汽轮机并没有停止发展，终于通过改进叶片和流道形状、增加拉筋等措施克服了振动问题。反而反动式汽轮机则在材料技术进步、蒸汽初参数大幅提高之后遇到了困难，因为蒸汽初压力越高，就越需要更多的级数，最终导致反动式汽轮机长度太大，不适合舰船使用。 此后冲动式汽轮机逐渐成为舰船动力的主流，绝大多数大功率、高参数的舰船蒸汽轮机都是使用冲动式汽轮机，或者高压涡轮使用冲动级、低压涡轮才用反动级。少数仍用反动式汽轮机的，也设置了双列速度级（一种串列的冲动式涡轮级）作为调节级。因双列复速调节级能够实现较大的焓降，可以让其出口的蒸汽温度、压力明显下降，这就缓解了其后反动式涡轮级单级焓降低、需要级数过多的压力。
热效率和单位燃耗 即使不考虑燃料价格的问题，舰船上能够携带的燃料数量也是受限的。因此动力装置的热效率越高，其航程和活动半径就可以越大。 与火力发电站用热效率作比较指标不同，舰船动力系统常用单位燃耗来衡量燃料经济性，这一点与舰船钢板厚度常用“磅/平方英寸”来标注是类似的，原因是便于计算。 单位燃耗就是某输出功率状态下舰船的燃料消耗率（吨/小时），除以此时的输出功率（马力），其单位是“克/马力•时”，即折算出动力系统每输出1马力功率、维持1小时所消耗的燃料数量。显然，1马力功率即746瓦乘以3600秒，除以单位燃耗再除以燃料低位发热值，其结果就是动力系统的热效率。 二战前后军舰普遍采用重油作燃料，其低位发热值一般在41000-42000kJ/kg，当时效率较高的蒸汽动力装置在设计功率下的单位油耗在320-350克/马力•时，折算成热效率约18%-20%。 二战后舰用蒸汽轮机动力发展到顶峰时的产品比如美国最后一级常规动力航空母舰小鹰级（此后美国航母采用了核动力），以及同时代的驱逐舰（此后的美国驱逐舰采用了燃气轮机动力）所用的动力装置，其最低单位油耗也要268-280克/马力•时，折算成热效率只有23%-25%。 需要注意，同一套动力装置并不是在任何工作状态下单位燃耗都相同，而是与负荷率有关，即汽轮机实际输出功率与额定输出功率的比值。通常战舰动力装置在额定功率的50-80%工作状态下有最低的单位燃耗，之所以如此，是为了兼顾高航速和低航速时的经济性。 以俾斯麦级战列舰的动力装置为例，它在额定功率13.8万马力工作状态（负荷率100%）下，单位油耗为325克/马力•时；输出功率为11.55万马力状态（负荷率84%），单位油耗为320克/马力•时；输出功率为7万马力状态（负荷率51%），单位油耗为335克/马力•时；输出功率为3.9万马力状态（负荷率28%），单位油耗为370克/马力•时；输出功率为2.5万马力状态（负荷率18%），单位油耗为415克/马力•时；输出功率为1.5万马力状态（负荷率11%），单位油耗为500克/马力•时。 小字部分慎入： 一般而言，只有在一个特定的负荷率即设计工况下，蒸汽进入动叶栅的相对进汽角与动叶片进口角相等，此时冲角为0，蒸汽绕流叶片时不会发生撞击叶片或者脱离叶片的现象，因此汽轮机才能达到自身最高的热效率。在偏离设计工况时，因冲角变大或者变小，蒸汽会撞击动叶片的叶背或者叶腹，产生能量损失，导致涡轮级内效率下降。尤其是当低于设计工况时，随着负荷率的下降，动力装置的热效率会迅速下降，即单位油耗显著上升。 这种热效率随负荷率变化的特点不是蒸汽轮机独有的，可以说是任何热机的共性。 为了改善低负荷率下的经济性，可以设置“巡航透平”。简单地说，巡航透平就是设计流量比主透平小、仅在巡航状态下工作的透平。巡航透平不一定是一个独立的透平，并且巡航机组的设计和工作流程是相当复杂的， 有巡航透平的动力装置，巡航功率下的单位油耗相比于高功率状态下增加幅度可明显减小。仍以俾斯麦级战列舰为例，其姊妹舰提尔皮茨号的动力装置与俾斯麦号不同，它装有巡航透平，在输出功率12.8万马力状态下汽耗3.35千克/马力•时，输出功率10.2万马力状态下汽耗3.34千克/马力•时，输出功率7.7万马力状态下汽耗3.36千克/马力•时，输出功率5.3万马力状态下汽耗3.37千克/马力•时，输出功率3.3万马力状态下汽耗3.55千克/马力•时，输出功率1.62万马力状态下汽耗3.98千克/马力•时。可见，与其姊妹舰相比，其负荷率-单位油耗曲线相当平坦，低负荷下的经济性有明显改善。
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发表于 2014-7-28 21:25
楼主
发表于 2014-7-28 23:02
good
发表于 2014-8-4 18:37
